3. Распределение легирующих элементов в стали

В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии; б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой; в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений; г) в карбидной фазе — в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом — специальных карбидов; д) в форме раствора в железе.

Рассмотрим перечисленные возможности.

1. Свинец, серебро, медь не образуют соединений с железом; кроме того, серебро и свинец нерастворимы в твердом железе, а растворимость меди составляет примерно 1 %. Поэтому при наличии в стали даже весьма малых количеств свинца, серебра или меди (меди выше 1 %) они будут находиться в свободном состоянии в виде металлических включений. Стали, легированные серебром, а также медью при содержании ее более 1 %, применения не имеют. Следовательно, случай, когда легирующий элемент присутствует в стали в свободном состоянии, встречается весьма редко и подробного рассмотрения не заслуживает.

2. Образовывать интерметаллические соединения могут большинство применяемых легирующих элементов. Однако эти соединения образуются лишь при таких содержаниях легирующих элементов, которые практически не встречаются в обычных промышленных сталях. Поэтому можно считать, что в обычных массовых сталях интерметаллические соединения легирующих элементов не встречаются.

В высоколегированных сталях и сплавах образуются интерметаллические соединения, что имеет большое значение для этих сплавов.

3. Образовывать оксиды и другие неметаллические соединения могут многие элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. Поэтому в процессе производства стали такие элементы, введенные в последний момент плавки, раскисляют сталь, отнимая кислород у железа:

В этой схематической формуле реакции под М подразумевается любой легирующий элемент-раскислитель. В результате реакции раскисления образуются оксиды и др.

Кроме большого сродства к кислороду, некоторые элементы имеют большее сродство к сере, чем железо, и при введении их образуются сульфиды.

Количество оксидов, сульфидов и других неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от метода ведения плавки.

Больше всего неметаллических включений в кипящей мартеновской меньше в спокойной стали и еще меньше в электростали. Сталь вакуумной выплавки (а также сталь электрошлакового переплава) содержит самое небольшое количество неметаллических включений.

4. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.

О карбидообразовании в стали будет сказано дальше. Здесь отметим, что карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа (обведены рамкой, рис. 279).

Рис. 279. Периодическая система элементов (в рамке элементы, образующие карбиды в стали)

Указанные элементы, кроме того, что они образуют карбиды, растворяются и в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами.

5. Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме углерода, азота, кислорода и бора и металлоидов, удаленных в периодической системе от железа. Элементы, расположенные в периодической системе левее железа, распределяются между железом (основой) и карбидами; элементы, расположенные правее железа (кобальт, никель, медь и другие), образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, подводя итоги, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды